高性能锡青铜叶轮铸件的研制

陈瑞峰，张 磊，常 磊

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州 450000）

随着我国造船工业的快速发展，各种船用泵的品种和数量也不断增加。与此同时，长期以来在舰船动力泵主要零部件制造和应用中，存在的问题日趋突出地暴露出来[1]。叶轮铸件结构复杂，内腔形状复杂多变，尺寸精度要求高，而且不可能靠机械加工的方法来达到最终的要求，因而对铸造工艺提出了更高的要求[2]。ZCuSn3Zn8Pb6Ni1锡青铜合金具有良好的流动性，并且收缩率小，不易形成集中缩孔，因此特别适合铸造厚薄不均匀或结构较为复杂的零件。但是因为该合金结晶温度区间大，易产生糊状凝固，ZCuSn3Zn8Pb6Ni1铸件的组织较为疏松，强度和硬度偏低，延伸率不大[3]。在高压情况下容易产生渗水现象，只能用于制作压力较低的铸件。

王强松等人[4]在ZCuSn3Zn8Pb6Ni1铸造锡青铜的基础上加入了适量的钴和铁元素，研制了ZCuSn3Zn8Pb6NilFeCo合金。结果表明：添加l%～2%铁和0.5%～1.5%钴后，铸造组织明显得到细化，枝晶偏析得以消除，获得了细小的等轴晶，晶粒平均直径由3 mm以上细化到20μm-40μm，晶粒细化到l%以下；抗拉强度由210 MPa～240 MPa提高到400 MPa～460 MPa，而伸长率仍保持在20%以上；消除了锡的宏观偏析。

由于叶轮铸件结构复杂，表面粗糙度要求高，因此对铸造工艺也提出了更高的要求。从提高材料本身的强度和采用合适的铸造工艺两个方面入手，采用王强松等人研制的新型锡青铜合金ZCuSn3Zn8Pb6Nil FeCo，同时采用熔模制备壳型、真空熔炼、离心浇注等手段研制了尺寸精度高、性能优良的合格泵用叶轮铸件。

1 实验设备及工艺

实验设备采用115kW真空感应熔炼炉和50kW保温炉，实验所需的原材料：标准阴极铜（纯度99.9%），锌（纯度 99.95%），锡（纯度 99.95%），电解镍（纯度99.95%），铅（纯度99.99%），铁（纯度99.95%），钴（纯度99.95%）。材料表面使用砂纸进行去油、除锈处理，之后放入保温炉中进行烘干。

新合金ZCuSn3Zn8Pb6Ni1FeCo是在国标GB1176-1987铸造铜合金技术条件所规定的ZCuSn3Zn8Pb6Ni1化学成分的基础上添加铁和钴，其他合金元素的含量不变，见表1.

表1 ZCuSn3Zn8Pb6Ni1FeCo的化学成分（质量分数，%）

制备的叶轮铸件壁厚不均、内部形状复杂，其最大轮廓尺寸为190 mm，里面有6片大弧度的叶片，要求制备的叶轮具有高的力学性能，尺寸精度、内部组织致密和低的表面粗糙度，表面无气孔，内部缩松达到国家GB1176-87二级标准。工艺路线为：准备所需金属材料（纯铜和合金）→熔模制备（包括模具的设计制作、蜡模的制备及模壳的制备、模壳的焙烧）→锡青铜真空感应熔炼→离心浇铸→铸件冷却及清理。

2 熔模制壳、真空熔炼及离心浇注

浇冒系统的设计以及浇注方式的选取，对铸件的质量极为关键，在之前的实验中，将叶轮的浇注系统设置在外圆处，每个叶片处对应设置一个冒口，由于铸件中心部位较厚，外圆处冒口难以对其补缩，使得铸件中心产生缩孔，导致铸件报废；之后改进了浇冒系统，在叶轮的中心处设置大冒口，直接浇注，彻底解决了叶轮中心缩孔的问题[5]。

由于铸件高度不高，采用顶注并将冒口兼作浇口使用。叶轮的浇注系统如图1所示，以铸件中心轴为离心轴，浇注系统仅由一个上细下粗的直浇道组成。在离心浇注过程中，依靠离心力的作用，铸件充型效果好。将设计好的浇注系统与制备的蜡模连接起来，经过挂涂料撒砂、型壳干燥硬化、脱蜡、焙烧等工序制备熔模模壳，如图2所示。

图1 叶轮的浇注系统

图2 制备的浇口熔模模壳

铜合金的铸造收缩率定为1.5%，对于有加工精度要求的地方，根据线尺寸的大小，留1 mm～3 mm的加工余量。为了防止气孔的产生，采用木炭作为覆盖剂。干燥的木炭是铜合金中应用最为普遍的一种覆盖剂，木炭的主要作用是防止氧化，脱氧保温，但是木炭很容易吸附水分，必须在高温下除水。

熔炼设备为50 kg真空感应炉，真空度可达10-3数量级。将熔模模壳放在保温桶里放入电阻炉预热至一定温度，保温2 h.将配好的铜、锡、铅、镍、铁、钴以及木炭放在坩埚中，考虑到锌易挥发，所以采用二次加料机构加锌。完成以上的步骤后，关闭炉盖和炉门，进行合金的熔炼及浇注。

工艺过程为：铜+合金熔炼——（充氩）加锌静止——浇注。具体工艺为：抽真空到5 Pa后开始升温，升温到1 300℃保温20 min，然后降温至1 200℃充氩气加锌，保温5 min左右待金属液面平静后，开始进行浇注，浇注温度约1 150℃～1 250℃.离心机转速＞180 r/min.

3 结果与分析

实验研究中采用了新型合金ZCuSn3Zn8Pb6NilFeCo及熔模制壳、真空熔炼、离心浇注工艺制备的叶轮铸件如图3所示，实验参数如表2所示，表3为改进后的工艺参数。

表2 实验的工艺参数

图3 叶轮铸件图

图4 叶轮局部放大图

表3 改进后的工艺参数

切断浇道后的铸件如图3所示，浇道中心存在一个大的中心孔穴，这是离心铸造的特点，孔穴旁边有一个大的气孔，将叶轮加工完成后，发现了缩孔缺陷如图4所示，分析缺陷产生的原因，一方面由于铸型的温度过高，在金属液浇入铸型后，凝固的过程持续的时间太长，导致了壁厚部位凝固的时间太长，得不到金属液的补缩，形成了缩孔。鉴于叶轮没有出现浇不足、冷隔等缺陷，所以将铸型的温度由800℃降为300℃，另一方面还可能是由于离心的转数低，所产生的离心压力也小，金属液在补缩的过程中克服阻力的能力也小，冒口不能很好地起到补缩作用，从而产生了缩孔缺陷，因此将离心转数由240 r·min-1提高至300 r·min-1.按照上述工艺制备的铸件如图5所示。

通过图5可以看出叶轮铸件表面质量光滑，充型完整，尺寸经测量符合图纸的要求。从图6的剖开图可以看到铸件内部无气孔、缩孔等宏观性缺陷，经高能探伤检测无贯通性缺陷的存在。

图5 叶轮铸件图

图6 叶轮铸件剖开图

4 结束语

研究制备的形状复杂船用通海泵的锡青铜叶轮铸件，由于采用了新型铜合金ZCuSn3Zn8Pb6Nil-FeCo，使合金材料的抗拉强度由180 MPa～230 MPa提高到400 MPa～450 MPa，而伸长率仍保持在20%以上，从成分上有效地控制了铸造后的组织；同时采用熔模造型、真空熔炼、离心浇注等相关的工艺及改进措施保证了制备出组织致密、性能优良的铸件。

［1］吴仁荣.舰船动力泵材料选用问题的讨论［J］.舰船科学技术，2001（1）：52-53.

［2］沈红卫，缪启才，寿洪苗.600MW汽轮机锡青铜主油泵叶轮的铸造［J］.铸造工程造型材料，2003，27（3）.

［3］陆树荪.有色铸造合金及熔炼［M］.北京：国防工业出版社，1993.

［4］王强松，王自东，朱军军，等.铁和钴对ZCuSn3Zn8Pb6Ni1合金组织及性能的影响［J］.铸造，2008，57（12）:1251-1254.

［5］刘红兰.高铬铸铁窄流道叶轮的铸造工艺［J］.铸造技术，2008，29（8）:1140-1141.